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1、第3章场效应晶体管放大电路,成都理工大学工程技术学院自动化工程系 雷永锋2013,第3章 场效应管放大电路,Sect,3.1、结型场效应管,3.2、绝缘栅场效应管MOS,3.3 场效应管的主要参数,3.4 场效应管放大电路,场效应管FET与三极管BJT的区别,Sect,1.BJT:是 电流控制元件；FET:是电压控制元件。2.BJT 参与导电的是电子空穴，因此称其为双极型器件；FET 是电压控制元件，参与导电的只有一种载流子，称为单级型器件。3.BJT 输入电阻较低，一般102104；FET 输入电阻高，可达1091014,场效应管的分类,结型场效应管JFET,MOS型场效应管MOSFET,双
2、极型三极管 场效应三极管噪声 较大 较小温度特性 受温度影响较大 较小，可有零温度系数点输入电阻 几十到几千欧姆 几兆欧姆以上静电影响 不受静电影响 易受静电影响集成工艺 不易大规模集成 适宜大规模和超大规模集成,3.1、结型场效应管,Sect,、结构与工作原理,漏极 D 集电极 C栅极 G 基极 B源极 S 发射极 E,导通条件：UGS 0 UBE 0 UDS 0 UBC 0,1)在一定UDS作用下,栅源极电压 为负,栅源极勾道通,UGS决定 电流 iD 的大小2)沟道中只有一种截流子 单极型晶体管,1、结构,2.JFET工作原理,N沟道结型场效应三极管只能工作在负栅压区，P沟道的只能工作在
3、正栅压区，当UGS=0时，沟道较宽，在UDS的作用下N沟道内的电子定向运动形成漏极电流ID。当UGS0时，PN结反偏，PN结加宽，漏源间的沟道将变窄，ID将减小，当UGS继续向负方向增加，沟道继续变窄，ID继续减小直至为0。当漏极电流为零时 所对应的栅源电压UGS称为夹断电压UP。,预夹断,UGS=UP夹断状态ID=0,Sect,导电沟道,3.1.2 JFET特性曲线,UP,转移特性曲线,输出特性曲线,Sect,UT,3.2、绝缘栅场效应管MOS,Sect,3.2.1.N沟道增强型MOS场效应管,漏极D集电极C,源极S发射极E,栅极G基极B,衬底B,电极金属绝缘层氧化物基体半导体称之为MOS管
4、,类型：N沟道 增强型 P沟道 耗尽型,退出,1.结构和工作原理,当UGS较小时，虽然在P型衬底表面形成 一层耗尽层，但负离子不能导电。当UGS=UT时,在P型衬底表面形成一层 电子层，形成N型导电沟道 在UDS的作用下形成ID。,-,-,-,-,当UGS=0V时，漏源之间相当两个背靠背的PN结，无论UDS之间加上电压 不会在 D、S间形成电流ID,即ID0.,当UGSUT时,沟道加厚，沟道电阻 减少，在相同UDS的作用下 ID将进一步增加,开始无导电沟道，当在UGSUT时才形成沟道,这种类型的管子称为增强型MOS管,Sect,N沟道增强型MOS工作原理,2.N沟道增强型MOS特性曲线,UDS
5、一定时，UGS对漏极电流ID的控制 关系曲线 ID=f(UGS)UDS=C,1).转移特性曲线,UT,在恒流区，ID与UGS的关系为,IDK(UGS-UT)2,沟道较短时，应考虑UDS对沟道长度的调节作用：,IDK(UGS-UT)2（1+UDS),K导电因子（mA/V2),沟道调制长度系数,n沟道内电子的表面迁移率COX单位面积栅氧化层电容W沟道宽度L沟道长度Sn沟道长宽比K本征导电因子,Sect,2).输出特性曲线,2.恒流区：UGS一定，ID基本不随UDS变化而变3.击穿区：UDS 增加到某一值时，ID开始剧增而出现击穿。ID开始剧增时UDS称为漏源击穿电压。,Sect,UGS一定时，ID
6、与UDS的变化曲线，是一族曲线 ID=f(UDS)UGS=C,1.可变电阻区：近线性 ID 2K(UGS-UT)UDS可变电阻区:当UGS变化时，RON将随之变化恒阻区:当UGS一定时，RON近似为一常数,3.2.2 N沟道耗尽型MOS场效应管,+,耗尽型MOS管存在原始导电沟道,Sect,1.工作原理,当UGS=0时，UDS加正向电压，产生漏极电流ID,此时的漏极电流称为漏极饱和电流 IDSS当UGS0时，将使ID进一步增加。当UGS0时，UGS的减小漏极电流逐渐减小。直至ID=0。对应ID=0的UGS称为夹断电压 UP,退出,2.特性曲线,转移特性曲线,Sect,输出特性曲线,ID(mA)
7、,N沟道耗尽型MOS管可工作在 UGS0或UGS0 N沟道增强型MOS管只能工作在 UGS0,各类场效应三极管的特性曲线,3.3 场效应管的主要参数,Sect,1.开启电压UT MOS增强型管的参数，栅源电压小于开启电压的绝对值,场效应管不能导通。2.夹断电压UP 夹断电压是耗尽型FET的参数，当UGS=UP 时,漏极电流为零。3.饱和漏极电流IDSS 耗尽型场效应三极管当UGS=0时所对应的漏极电流。4.直流输入电阻RGS栅源间所加的恒定电压UGS与流过栅极电流IGS之比结型场效应管，反偏时RGS约大于107，绝缘栅场效应管RGS约是10910155.漏源击穿电压BUDS 使ID开始剧增时的
8、UDS。6.栅源击穿电压BUGSJFET：反向饱和电流剧增时的栅源电压 MOS：使SiO2绝缘层击穿的电压7.低频跨导gm 低频跨导反映了栅压对漏极电流的控制作用,3.4 场效应管放大电路,1、静态值：,共源组态基本放大电路,(1).分压偏置电路,(2).自给偏压电路,自给偏置电路：适合结型管和耗尽型MOS管外加偏置电路：适合增强型MOS管,采用结型场效应管,采用绝缘栅场效应管,退出,2、微变等效电路,1、场效应管微变等效电路 受控源：电压控制电流源 输入电阻：rgs 很大忽略 输出电阻：rds 很大忽略,2.共源组态放大电路 微变等效电路,电压放大倍数,3.交流分析,输入电阻,输出电阻,计算
9、Ro的电路模型,例 用EWB分析图共源结型场效应管基本放大电路的静态工作点和电压放大倍数，并与理论计算相比较。已知gm=0.69mA/V,IDSS=1mA、UP=-2V。,(1)静态工作点仿真，结果列在图中。(2)静态工作点理论计算。UDSVDD（RSR）ID 上述方程组代入数据得两组解：ID0.46 mA，UGS0.6 V，UDS6.8 V。,(4)电压放大倍数的仿真。Au465/100=4.65，比计算值大，这主要是由三极管参数差异造成的。如果实际安装，实测值一般与计算值也会有差别，需要通过调试使电子电路的技术指标符合要求。,3.4.2 共漏组态基本放大电路,电压放大倍数,(1)直流分析 VG=VDDRg2/(Rg1+Rg2)VGSQ=VGVS=VGIDQR IDQ=IDSS1(VGSQ/VGS(off)2 VDSQ=VDDIDQR,(2)交流分析,输入电阻,输出电阻,退出,3.4.3 共栅组态基本放大电路,电压放大倍数,(2)交流分析,输入电阻,输出电阻,(1)直流分析,与共源组态放大电路相同,roRd,双极型和场效应三极管的三种组态基本放大电路的比较,
